Prali, aprile 2010

Patrizia Tavella

Il 1 gennaio 2006, l’Istituto Elettrotecnico Nazionale "Galileo Ferraris" (IEN) el’Istituto di Metrologia "Gustavo Colonnetti" (IMGC) si sono uniti per formarel’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (I.N.RI.M).

INRIM è un ente pubblico che ha lo scopo di compiere e promuovere attività di ricerca scientifica in metrologia.

La ricerca nella metrologia del tempo include:– orologi atomici– techniche di confronto e sincronizzazioni orologi– modelli e algoritmi matematici

» per realizzare e disseminare l’ora esatta in Italia UTC(IT)» per contribuire all’ora esatta internazione Universal Coordinated Time

Come si fa a sapere

Cosa sono gli orologi atomici?

perché nello spazio?

PER MISURARE IL TEMPO

Ci vuole qualcosa che “oscilli”

e che “oscilli” regolarmente

indipendentemente dalla posizione, epoca, condizioni...

Per secoli

Il tempo è scandito da orologi atomici

che misurano le irregolarità del moto terrestre

Dal 1967

Il movimento della Terra ha segnato il tempo

e su questo regolavamo gli orologi

Cosa sono gli orologi atomici?

atomo

elettrone

nucleo

radiazione elettromagnetica

lunghezza d’onda

o frequenza

Mompellato, 23 marzo ‘07

Gli atomi emettono o assorbono radiazioni di una ben determinata frequenza

Ultimo nato meglio di 10-15

accuratezza

Orologi a confronto

quarzo dibuona qualita`

rubidio cesio maser idrogeno

portabilita` ottima buonaspazio/terra/aria

soprattutto perlaboratori

solo perlaboratori

accuratezza 10-9 10-10 10-14---10-12 10-11

errore di unmicrosecondo

100--10 000 s 1 -- 10 gg 10 gg – 3 anni 1 giorno

costo [euro] 5 000 15 000 75 000 300 000

* 1/2 micron rispetto alla circonferenza terrestre

* 1/40 millisecondo rispetto alla vita umana (80 anni)

* 300 miliardesimi di secondo su un anno

Chi si accorge di 300 miliardesimi di secondo?

un fulmine dura 1 decimillesimo di secondoun treno ad alta velocità percorre qualche centesimo di millimetroi sistemi di navigazione sbagliano di almeno 100 metri: Galileo

chiede 1,5 miliardesimi di secondoper rivelare le onde gravitazionali ci vuole almeno 100 volte meglio

per saper dove siamo per saper dove siamo

e la navigazionee la navigazione

Perche`?

Per millenni la navigazione ha misurato angoli,

da 50 anni la triangolazione è stata sostituita dalla trilaterazione

la posizione si ricava misurando la distanza da 3 punti noti

le misure di distanza sono misure di tempo di volo di un segnale elettromagnetico

Conoscere la proprio posizione

-> misurare una distanza

-> misurare un intervallo di tempo

Dove siamo ?

Atterrare nella nebbiaUn segnale elettromagnetico copre1 metro in3 nanosecondi (10-9 s)

300 nanosecondi

= 100 metri di errore!!!

Global Positioning System

Global Positioning System: GPSGlobal Positioning System: GPS

GPS è composto da 3 segmenti :GPS è composto da 3 segmenti :

dove sono gli orologi?

a bordo

Ricevitori utenti

(4a incognita)

ricevitori a Terra

Stazione di controllo,

ora di riferimento

Universal Time CoordinatedTempo Universale Coordinato

Disseminazione ora esatta

Nel segmento SPAZIO, i satelliti e gli orologi di bordo al Cesio o Rubidio

Global Positioning SystemUSA Dipartimento Difesa

• 24 satelliti con atomici • distanti 20 000 Km• 6 piani orbitali• larghezza circa 6 metri

Gli orologi di bordo vengono rallentati per compensare la relatività

Global Positioning System

Accuratezza:

• satellite• posizione satellite• ritardi ricevitore• tropo/ionosfera• altri disturbi

==> posizione1 -- 100 metri !!!

Un sistema satellitare europeo per la navigazione civile indipendentema interoperativo con il sistema GPS e con altri servizi aggiuntivi

Seminario IACSA Firenze – 28 Marzo 2003 21

Space Segment - Galileo Spacecraft

Overall Spacecraft:

700 Kg / 1.6 kW class

Launcher Options:

Ariane, Proton, Soyuz

Navigation payload: 70-80 Kg / 780 W

SAR transponder: appr. 20 kg / 100 W

Dimensions: 2.7 x 1.2 x 1.1 m3

Walker 27/3/1 plus 3 in-orbit spares (1/plane) altitude 23616 km

inclination 56 deg

Period: 14 hr 22 minGround track repeat cycle 3 days

Space Segment – Constellation

Service PerformanceService PerformanceService PerformanceService Performance

G A L I L E O G lo b a l S e rv ic e s

O p e n S e rv ic e C o m m e rc ia l S e rv ic e s

S a fe t y o f L ife S e rv ic e s

C o v e ra g e G lo b a l G lo b a l G lo b a l

P o s it io n in g A c c u ra c y

1 5 m H - 3 5 m V ( s in g le f re q u e n cy )

4 m H - 8 m V

(d u a l f re q u e n c y )

4 m H - 8 m V (d u a l f re q u e n c y )

T im in g A c c u ra c y 3 0 n s e c 3 0 n s e c

A v a ila b il it y 9 9 .5 % 9 9 .5 % 9 9 .5 %

I n t e g r it y R e q u ire d

A le rt L im it 1 2 m H - 2 0 m V

T im e to A le rt 6 s e c o n d s

I n t e g r it y R is k 3 .5 x 1 0 -7 / 1 5 0

s e co n d s

C o n t in u it y R is k

N o n e N o n e

1 .0 x 1 0 -5 / 1 5 s e co n d s

A c c e s s C o n t r o l F re e O p e n A cce s s

C o n tro l le d A cce s s o f R a n g in g C o d e a n d N a v D a ta

M e s s a g e

C o n tro l le d A c c e s s o f N a v D a ta M e s s a g e

C e rt if ic a t io n a n d S e rv ic e G u a ra n te e s

N o n e G u a r a n te e o f S e r v ice P o s s ib le

B u i ld fo r C e r t if ic a t io n a n d G u a r a n te e o f

S e r v ice

Galileo fasi di sviluppo

Galileo Full OperationConst. (30)

GPS Constellation

GalileoExp. SV (*2)

2003-04 2005-10 2010-12 2013

GSTBV1

GSTBV2

IOV Phase FOC Phase

Galileo In Orbit ValidationConst. (*4)

Space Rubidium Atomic Frequency Standard (RAFS)

Frequency Stability RAFS1-R2 EQM5December 2002

1.0E-14

1.0E-13

1.0E-12100 1000 10000 100000

Averaging Time (Tau), sec.

Alla

n D

ev.,

Sig

ma

y (T

au)

RAFS Galileo Specification

measured data

Galileo Galileo primi sprimi satellitatelliti sperimentalii sperimentali

GIOVE B lanciato 26 aprile 2008

GIOVE A lanciato Dec 28, 2005

--

IEN

1PPS signal1PPS signal10 MHz frequency 10 MHz frequency signalsignal

FreeFree--runningrunningactive Hactive H--masermaser

(HM2)(HM2)

TemperatureTemperature --controlled chambercontrolled chamber

ILaboratoryLaboratory

UTC(IEN)UTC(IT)IEN MeasurementSystem

INRIM MeasSystemSystem

PPSGenerator

PPSGenerator

Time offset [UTC(IT) –– HM2];HM2];sampling rate: 1 hoursampling rate: 1 hour

Routine activities at INRIM

INRIM Time and Frequency

13 Ricevitori a Terra: uno all’INRIM

Galileo prove sperimentali

• primi satelliti europei per navigazione• trasmissione messaggio navigazione Galileo• a bordo orologi atomici europei tra cui (GIOVE B)

un maser all’idrogeno mai utilizzato nello spazio.• prove sperimentali con orologi e ricevitori

A Terra una rete di ricevitori e A Terra una rete di ricevitori e un centro di controllo un centro di controllo allall’’Agenzia Spaziale Europea Agenzia Spaziale Europea Noordwijk, OlandaNoordwijk, Olanda

35

GSTB V2 experimental results - example

La relativitàcon gli orologi atomici diventa quotidiana

Gli orologi viaggianti van piano

Gli orologi in montagna van veloci10-13 al km

1 microsec/ anno al km

Su satellite GPS/Galileo a 20000 km effetti di 10-10 cioè 1 millisecondo / anno

per le verificare la fisica fondamentale e rivelare onde gravitazionali

10-21

LISA (NASA, ESA)

3 satelliti a triangolo a 5 milioni km distanza tra loro, misurano picometri!

Ritornerà nello spazio ?spazio ?

Orologi dellodello spazioUna stella che gira

Pulsar

• stella fatta di neutroni • 20 km diametro• 1,4 volte la massa del Sole• nella Galassia a migliaia di anni luce• un giro ogni millisecondo• emette onde radio, come un faro

Pulsar

• la rotazione e` molto stabile• ogni millisecondo arriva un impulso radio

E` un orologio ?

In realta` ci sono molti problemi:

• Il periodo di rotazione rallenta• L’impulso deve attraversare 1016 km di

mezzo interstellare • La Terra e` un osservatorio in movimento

Pero`...

Pulsar

Pero`...

quanta fisica !!!(Nobel a Taylor e Hulse per le onde

gravitazionali)

e qualche idea sulle instabilita` degli orologi atomici

Come si fa a sapere

Una rete mondiale dei migliori orologi atomici

NPL

IEN

ROA

ORB

CH

PTB

VSL

TUG

TP

OMH

AOS

BEV

BIRMINPL

NAOM

NAOT

OP

APL

CNM

NRC

USNO

NIST

ONBA

CSIR

NRLM

SCL

SO

CSAO

CLR

AUS

MSL

BIPMParis

DTAG GUM

DLR

UME

LDS SU

IPQ

CAO

IFAG

IGMA

ONRJ

KRIS

NIM

A

A F R I C A

OCEANIA

SP

TL

Bureau Internat. des Poids et Mesures

Confrontati continuativamente con la miglior accuratezza (1 ns)

In coordinamento con la rotazione terrestre

La Polare si è alzata!

Strano! La Polare si è abbassata!

…nel 1850

…d’estate si gira più veloci

Kclock: Flow Chart

START

Generation of the time axis t:t0,t1,…,tk,…,tN-1 where tk=kT (T is the sampling time, an internal constant)

Generation of the ideal clock xid

Is the variance sigma given?

Generation of the Q matrix

YES

NO

Set default values for sigma

Generation of the H matrix

Generation of the physical clocks x using the function euclockn

Generation of the initial conditions x0

Generation of the block-diagonal Q1 matrix

Generation of the block-diagonal PHI1 matrix

Initialization of the covariance matrix P

Algoritmi e calcoli

[ ]

+∑

=

(t)(t) - x = xx

(t)x(t)x̂w= )t( x

ijij

N

1jijiji

[ ]∑=

+=N

1jijjjii (t)x(t)hw (t) h = TA(t) -x '

)()(

wi

N

k k

iτε

⋅

τε

=

∑=

2

12

11

1

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

2

4

6

8

10

12

t

Per generare l’ora esatta internazionale

anche “ora” nazionale e riferimento legale

Realizza e mantiene, per legge, ilCampione

Nazionale di Tempo e Frequenza

Lo dissemina in ambito nazionale mediante:SRC - Segnale RAI CodificatoCTD - Codice Telefonico di DataNTP - Network Time Protocol

Coordina e controlla l’attivitàdei Centri di Taratura SIT

Contribuisce, con i propri orologi al cesio, alla formazione della Scala di Tempo Internazionale TAI

51 52 53 54 55 56 57 58 59 00 01

0,96 s 0,48 s 0,1 s

1 20 4 53 3130296 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 280

1

ID OR MI OE P1 ME GM GS P220 10 8 4 2 1 40 20 10 8 4 2 1 10 8 4 2 1 20 10 8 4 2 1 4 2 1

f = 2,5 kHzf = 2 kHz

960 ms

30 ms 30 ms

ID = identificatore del segmento di codiceOR = ore (decine e unità)

MI = minuti (decine e unità)OE = ora solare (0), ora estiva (1)

P1 = parità del primo gruppo di informazioniME = mese (decine e unità)

GM = giorno del mese (decine e unità)GS = giorno della settimana

P2 = parità del secondo gruppo di informazioni

1 20 4 53 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150

1

ID AN SE80 40 20 10 8 4 2 1

ID = identificatore del segmento di codice

SI PA

AN = anno (decine e unità)SE = preavviso cambio ora solare/estiva

SI = preavviso secondo intercalare

PA = parità

480 ms

Primo segmentodel codice di data

Secondosegmentodel codice

di datanessun cambio nei prossimi 7 giorniprevisto un cambio entro 6 giorni

previsto un cambio entro 1 giornoalle ore 02:00 si passa all'ora estivaoppure alle 03:00 si passa all'ora solare

1 1 11 1 0

0 0 10 0 0

0 01 01 1

nessun secondo intercalare entro il meseritardo di 1 secondo a fine meseanticipo di 1 secondo a fine mese

Impulsi di riferimento acustico

secondi

Il servizio è generato dall’IEN a partire dagli orologi al cesio, e

distribuito dalle reti RAI.

ntp1.ien.it (193.204114.232) ntp2.ien.it (193.204114.233).

Traffico su una settimana. Il “bit rate” indica da 80 a 500 sincronizzazioni richieste al secondo

Altri Servizi Codificativia Radio: DCF 77,

Francoforte

Mompellato, 23 marzo ‘07

Viene utilizzato quotidianamente da tutti i laboratori metrologici del mondo. Consente di confrontare gli orologi, su base intercontinentale, a livello dei miliardesimi di secondo.

A livello di decine di miliardesimi di secondo, diffonde l’informazione di ora esatta a semplici ricevitori.

Il sistema GPS, utilizzando per sua natura misure di tempo, è uno strumento potentissimo per la sincronizzazione di orologi e per la diffusione dell’ ora esatta.